不同辐射强迫背景下大西洋经向翻转流变化分析

发布时间：2020-11-08 13:31

　　 本文利用德国马克思-普朗克气象研究所(Max-Planck-Institute forMeteorology)海洋大气耦合模式ECHAM5/MPIOM模式最新计算的海洋数据，对大西洋子午向翻转流(MOC, Meridional Overturning Circulation)周期性振荡现象及其振荡产生机制进行研究，并着重分析了在四种不同的辐射强迫情景下大西洋MOC强度、振荡周期、振荡主成分等因子的变化情况。该研究是第五阶段国际耦合模式比较计划(CMIP5, Coupled Model Intercomparison Project Phase5)的一部分，除为大西洋MOC的振荡机制研究做出贡献外，也为国际间不同耦合模式之间的比较、检验和改进提供了数据支持。另外，对不同辐射强迫情景下大西洋MOC的响应分析能够帮助政府间气候变化专门委员会(IPCC, IntergovernmentalPanel on Climate Change)研究未来气候变化趋势及可能情景，为各国政府提供制定相应限制或减少碳排放等政策的依据。 本文首先利用ECHAM5/MPIOM模式在固定的历史辐射强迫Historical情景下产生的海洋数据，通过经验正交函数(EOF, Empirical Orthogonal FunctionsDecomposition)分解、小波分析、相关性分析、回归分析等多种方法对大西洋MOC振荡区域、振荡周期、振荡主要模态进行研究，并对一个完整的振荡过程进行描述。得出结论如下： 1. MOC异常值最大发生在北大西洋0°-50°N区域，尤其在50°N附近。MOC年际振荡周期为1年，年代际振荡周期为30-50年。 2. MOC振荡机制：初始由MOC较强开始，此时表层北向流函数及深层南向流函数均为高值，由低纬向高纬的热量输送较大，高纬地区温度异常增高，海表密度下降，导致高纬海区下沉水下沉深度变浅，北大西洋深层水生成减弱，MOC环流开始减弱，此时表层北向流函数及深层南向流函数均降低，由低纬向高纬的热量输送减小，高纬地区温度因此降低，高纬海区下沉水下沉深度加深，北大西洋深层水生成增强，MOC环流重新增强。另外，当温度升高，海表密度降低时，海平面高度增加，形成一个由升高中心指向四周的压强梯度力。根据地转平衡关系，形成一个反气旋式的环流，抑制了北大西洋暖流的流动，使得向高纬地区的热量输送减小。一个完整的振荡过程周期为52年。 之后，本文进一步探讨了在辐射强迫演变背景下，全球海洋温度、盐度异常区域分布、海洋与大气的热交换以及大西洋MOC在不同辐射强迫下的演变情况，重点分析大西洋MOC对不同辐射强迫的响应。本文特别利用四组不同强迫辐射条件下的海洋数据，分析了大西洋MOC在这四组强迫辐射条件下环流强度、振荡周期以及对MOC经向流函数做EOF分解所得第一主成分的变化情况。所得结果如下： 1. SST在Rcp26、Rcp45、Rcp85情景下分别升高0.5℃、0.95℃、2.2℃，升温区域分别为北大西洋高纬海区、北大西洋高纬海区和赤道地区、全球海区。全球平均盐度基本维持不变，但不同区域的盐度仍有较明显的变化。随辐射强迫增加，拉布拉多海(LAB, Labrador Sea)海域获得了更多来自大气的热量，而格陵兰-冰岛-挪威海(GIN, Greenland-Iceland-Norway Seas)海区向大气释放了更多的热量。 2. MOC经向流函数距平正负异常交替出现，异常振荡区域呈现菱形，表明异常随时间由北半球高纬度向南传播，验证了北半球高纬度海区是MOC振荡的发源地。随着辐射强迫的增大，MOC经向流函数距平值呈现增长趋势，表明振幅增强，振荡能量增大。在Rcp85情景下，MOC指数降低16Sv，约70%左右，而在其他两情景下变化不大。 3.对MOC经向流函数距平场的EOF分解结果显示，第一主成分方差贡献率随强迫辐射增强有显著提升，Rcp26、Rcp45、Rcp85情景分别对应29%，32%和82%的方差贡献。 大西洋MOC下沉海流位于北大西洋高纬地区的GIN海域和LAB海域，它是整个大西洋MOC循环的重要驱动力。因此本文特别探讨了这两个区域海表面温、盐及混合层深度等参数在不同辐射强迫条件下的改变情况。研究得到以下结论： 1. LAB海域混合层深度对辐射强迫变化敏感。主要有以下两点原因：首先MOC异常值最大发生在北大西洋LAB海域附近，同时北大西洋高纬度GIN海域MOC异常值非常弱。异常值由50°N附近（对应LAB海域以南区域）向南传播，因此认为LAB海域是振荡信号的发源地。其次由于60°N附近格陵兰－苏格兰海脊（平均深度600m）导致的信号传播“屏障”导致GIN对辐射强迫变化不敏感。 2.混合层深度距平随着辐射强迫的增加而减小，意味混合层逐渐趋于稳定。海表盐度对LAB海域混合层深度的影响大于海表温度的影响；在GIN海域，盐度和温度对混合层深度的影响程度大致相同。GIN海域与LAB海域温度对混合层深度的影响时间较长远，为年代际量级，而混合层深度对盐度的变化反应迅速，反应时间约在10年左右。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P732;P731
【部分图文】：

不同辐射强迫背景下大西洋经向翻转流变化分析 中国海洋大学硕士研究生学位论文1.2 研究背景1.2.1 MOC 定义MOC 指包括风生流在内的大西洋子午向翻转流，是大西洋海盆尺度的循环，包括海水表层的极向输运、高纬度海水沉降和向着赤道方向返回的深层流。与子午向热盐环流（THC, Thermohaline circulation）相比 MOC 增加了风生流部分，更加接近实际情况。尽管 MOC 与 THC 包含不同的内容，但一般情况下可以通用。MOC 通过在不同纬度间的循环流动，将低纬地区盈余的热量向大西洋各个纬度输运，对大西洋子午向的热量输送起到了重要的作用，强烈影响着欧洲气候的变化。

不同辐射强迫背景下大西洋经向翻转流变化分析 中国海洋大学硕士研究生学位论文从南到北热输送皆为正值。这充分显示了大西洋子午向热量输送在全球子午向热量输送中占据重要地位。由于大气环流的作用，降水在全球分布不均匀，高纬地区受温度影响蒸发小，而降水多，淡水通量为正，低纬地区除热带辐合带(ITCZ, Intertropical ConvergenceZone)外蒸发强烈而降水小，淡水通量为负，因此决定了低纬地区海水高温高盐，高纬地区海水低温低盐的特性。

为 Rcp26、Rcp45、Rcp6 和 Rcp85），对应数字值，单位为 W/m2，时间长度为 2006 年-2100情景、Rcp45 为中强度强迫辐射情景、Rcp85 情景 Rcps 不仅能够提供更加真实且可操作性影响评估提供方便直观的数据支持。为研究更对应设立四组延伸浓度路径（Ecps，Extend度为 2101 年-2300 年，是 Rcps 情景的延伸部 Rcp 情景。另外，以历史辐射强迫数据资料850 年-2005 年的海洋大气数据资料，这段时间（Historical）情景，下文简称 His 情景。在本 排放情景特别报告中设计的辐射强迫浓度变图 1-3 中，2005 以前的蓝线代表实测和替代辐射强迫值。
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本文编号：2874853